SSD решила обойтись без процессора — проверка только в 2027-м

Южнокорейская компания FADU показала накопитель, который умеет работать не только с блоками данных, как обычный SSD, но и непосредственно с файлами. Идея — снять с центрального процессора часть работы по поиску и выдаче данных, особенно востребованную в системах хранения для искусственного интеллекта. Однако образцы для партнёров ожидаются лишь в третьем квартале 2027 года.

Разработка называется File-Semantic SSD, или FS-SSD. Её представили на саммите OCP Global Summit. Поиск файлов, проверку доступа и перевод адреса файла в физическое место на флеш-памяти выполняет прошивка контроллера FADU шестого поколения. Компания обещает, что GPU — графические процессоры, DPU — сетевые карты с собственными вычислительными ядрами — и обычные сетевые карты смогут обращаться к файлам без файловой системы хоста, блочного уровня и процессора сервера хранения на пути запроса.

FADU уже работает на рынке флеш-памяти для дата-центров. Контроллер пятого поколения компании используется в SSD SN861, который выпустила Western Digital и который теперь продаёт SanDisk. В прошлом году FADU сообщила о соглашениях на поставку контроллеров двум из четырёх крупнейших облачных операторов. За несколько недель до этого компания представила контроллер Sierra с поддержкой PCIe 6.0.

Сам подход к разгрузке процессора не возник на пустом месте. Nvidia давно развивает GPUDirect Storage: эта технология позволяет передавать данные с накопителя напрямую в память GPU, минуя процессор. Но программное обеспечение на сервере всё ещё решает, какой файл запросить, и отправляет каждую команду. Nvidia открыла исходный код cuFile и переносит часть управления на GPU; это может добавить работы ускорителю, тогда как FADU пытается убрать её с другого конца — со стороны накопителя. В исходном описании также упоминаются атаки SCADA как источник дополнительной нагрузки на ускорители, но подробностей о связи этого фактора с FS-SSD не приводится.

По собственным измерениям FADU, файловая система хоста и блочный уровень занимают около 30% процессорных циклов при случайном чтении через GPUDirect Storage. Это цифра производителя, независимо её пока не подтвердили. Компания также утверждает, что существующие способы обхода процессора обычно избавляют его от работы, отказываясь от файлов и обращаясь к данным как к блокам.

Вместо создания нового языка команд FADU использовала NFS — Network File System, протокол, который десятилетиями позволяет открывать файлы, хранящиеся на других компьютерах. FS-SSD передаёт запросы NFS, например поиск файла по имени или чтение его части, внутри стандартных команд NVMe, уже применяемых SSD.

Запросы могут поступать с компьютера, в который установлен накопитель, или с других машин дата-центра через NVMe over Fabrics (NVMe-oF) — сетевой вариант протокола NVMe. FADU выбрала NFS версии 3: в нём всего 21 операция, он совместим с разными операционными системами и не хранит состояние соединения. Это означает, что каждый запрос содержит всё необходимое для ответа, а накопителю не нужно запоминать, кто и какой файл открыл.

FS-SSD объединяет два этапа поиска, которые в обычной системе выполняются отдельно. Сначала файловая система компьютера определяет, в каких нумерованных блоках находится файл. Затем внутренняя система SSD, называемая слоем трансляции флеш-памяти, находит физическое расположение блоков на микросхемах.

В накопителе FADU обе задачи выполняет единый файловый слой на основе F2FS — файловой системы Linux, разработанной для флеш-памяти. Её структура согласована с физической организацией микросхем. По утверждению компании, карта размещения данных получается значительно меньше: обычный SSD обычно оснащают примерно 1 ГБ DRAM на каждый терабайт флеш-памяти, и почти вся эта память занята картой блоков. FS-SSD использует тот же объём DRAM, но, по данным FADU, около 95% памяти остаётся свободной и может хранить сведения о часто используемых файлах.

Единая файловая система, по задумке, упрощает и очистку флеш-памяти. Флеш-накопитель не может просто перезаписать старые данные на месте: нужные фрагменты приходится переносить, а целые блоки — очищать. Этот процесс называется сборкой мусора.

В обычной системе очисткой занимаются и файловая система компьютера, и сам SSD; их операции могут дублироваться. FS-SSD оставляет один механизм. FADU заявляет, что в сравнении с F2FS на обычном компьютере это снижает усиление записи на 63%. Чем меньше усиление записи, тем меньше лишних операций и износ флеш-памяти. Но результат получен не на реальном SSD, а в симуляции NVMeVirt — программном эмуляторе накопителя, созданном Сеульским национальным университетом.

В предварительном тесте FADU пропускная способность удалённого доступа к файлам оставалась около 460 тысяч операций в секунду, когда сервер сокращали с 16 ядер до одного. У стандартного Linux-сервера NFS показатель снизился примерно со 150 тысяч до 40 тысяч операций в секунду.

У испытаний есть ограничения. Накопитель Gen6 тестировали в системе с PCIe 5.0, поэтому последовательное чтение упиралось примерно в 14,1 ГБ/с — предел интерфейса Gen5. Между тем накопители Gen6 уже выпускаются серийно: например, Micron 9650 заявлен со скоростью чтения до 28 ГБ/с.

Клиент и сервер работали на настольных процессорах Intel Core i5-13600K, с 128 ГБ DDR5 и сетевой картой ConnectX-6 на 100 Гбит/с. У этого процессора 14 физических ядер и 20 потоков, поэтому, вероятно, в тесте FADU считала потоки, а не физические ядра.

FADU называет FS-SSD первым в мире SSD с файловой семантикой. Возможно, это первая аппаратная демонстрация такого рода, но сама идея не нова: исследовательская работа DevFS, представленная в 2018 году, описывала файловую систему, полностью встроенную в накопитель. Тогда её проверяли только на эмулируемом прототипе.

Организация NVM Express стандартизировала набор команд «ключ — значение», позволяющий обращаться к данным по ключу, а не по адресу блока. SK hynix совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией разработала накопитель вычислительной памяти с таким подходом. Для FS-SSD пока нет аналогичного стандарта: FADU не передавала набор файловых команд на стандартизацию в NVM Express или OCP Storage. Поэтому клиентским системам сейчас потребуется собственное программное обеспечение FADU.

Долгосрочная цель компании — флеш-система хранения, перед которой будут только коммутатор PCIe и DPU либо сетевая карта, аппаратно обрабатывающая NVMe-oF. Референсную конструкцию на базе DPU Xsight Labs 800G E1 FADU рассчитывает подготовить к концу 2027 года.

По модели компании, такая система из 16 накопителей будет потреблять на 42% меньше энергии и обходиться на 57% дешевле за накопитель, чем традиционный сервер хранения. Пока это расчётные оценки, а не измеренные результаты. Системы с DPU перед накопителями уже существуют — например, JBOF Supermicro на базе BlueField, — но в них программное обеспечение хранения всё ещё работает на процессорных ядрах Arm внутри DPU. FADU хочет, чтобы файлы обслуживали сами SSD.

Глава FADU Нам И-хён назвал FS-SSD «трамплином» к лидерству в решениях для хранения данных ИИ, сообщает The Herald Business. Узкое место, на которое нацелилась компания, действительно существует, а использование NFSv3 вместо разработки нового протокола выглядит разумной отправной точкой.

Но пока доказательная база скромнее презентационных обещаний: тестовый стенд Gen5, симуляция снижения усиления записи и расчётная экономия. Переговоры с производителями оригинального оборудования и ODM-партнёрами находятся на ранней стадии. Первые результаты на системе с полноценным хостом Gen6 FADU ожидает в первом квартале 2027 года. Они покажут, способен ли накопитель выполнять работу процессора на полной скорости; партнёрские образцы обещаны позднее, в третьем квартале.